地基处理技术.ppt
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1、第6章 复合地基基本理论Chapter 6 Design Principle of Composite Foundation,6.1 复合地基的定义与分类6.1 Definition and Classification of Composite Foundation,经过地基处理形成的人工地基通常有三种型式:均质地基 复合地基 桩基,复合地基定义(composite ground,composite foundation,composite subgrade)是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强,或被置换,或在天然地基中设置加筋材料,加固区是由基体(天然地基土体或被改良的天然地基土体
2、)和增强体两部分组成的人工地基。复合地基较天然地基的承载力提高,沉降减小。,复合地基分类,复合地基根据地基中增强体的方向可分为竖向增强体复合地基和水平向增强体复合地基两类。竖向增强体复合地基又称为桩体复合地基。复合地基根据增强体性质又可分为散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。,复合地基的基本特点,(1)加固区是由基体和增强体两部分组成,是非均质的和各向异性的。(2)在荷载作用下,基体和增强体共同承担荷载的作用。前一特征使它区别于均质地基,后一特征使它区别于桩基础。形成复合地基的条件是基体与增强体在荷载作用下,通过两者变形协调,共同分担荷载。,6.2 复合地基的常用型式6.2 T
3、ypes of Composite Foundation,复合地基常用型式分类如下:1增强体设置方向(1)竖向;(2)水平向;(3)斜向。,2增强体材料(1)土工合成材料;如土工格栅、土工织物等;(2)砂石桩;(3)石灰桩、水泥土桩等;(4)CFG桩和低强度混凝土桩等;(5)两种以上竖向增强体(多元复合地基);(6)水平向和竖向增强体(桩网复合地基)。,3基础刚度和垫层设置(1)刚性基础,设垫层;(2)刚性基础不设垫层;(3)柔性基础,设垫层;(4)柔性基础不设垫层。4增强体长度(1)等长度;(2)不等长度(长短桩复合地基)。,由于增强体设置方向不同、增强体的材料组成差异、基础刚度以及垫层情况
4、不同、增强体长度不一定相同,复合地基的形式非常复杂,要建立可适用于各种类型复合地基承载力和沉降计算的统一公式是困难的,或者说是不可能的。在进行复合地基设计时一定要因地制宜,不能盲目套用一般理论,应该以一般理论作指导,结合具体工程进行精心设计。,6.3 复合地基的常用概念6.3 Basic Concepts of Composite Foundation,1.复合地基面积置换率(Replacement Ratio of Area)竖向增强体复合地基中,竖向增强体习惯上称为桩体,基体称为桩间土体。若桩体的横截面积为Ap,该桩体所承担的加固面积为Ae,则复合地基面积置换率的定义为,若桩体为圆形,直径
5、为d,则对等边三角形布置、正方形布置和矩形布置的情形,复合地基面积置 换率分别为:(等边三角形布置)(正方形布置)(长方形布置)上三式中,s为等边三角形布桩和正方形布桩时的桩间距,s1和s2为长方形布桩时的行间距和列间距。,2.复合地基桩土应力比(Stress Ratio of Pile to Soil)对某一复合土体单元,在荷载作用下,假设桩顶应力为p,桩间土表面应为s,则桩土应力比为 实际工程中,即使是单一桩型的复合地基,由于桩处在基础下的部位不同或桩距不同,桩土应力比也不同。将基础下桩的平均 桩顶应力与桩间土平均应力之比定义为平均 桩土应力比。,基础下的平均桩土应力比是反映桩土荷载分担的
6、一个参数,当其他参数相同时,桩土应力比越大,桩承担的荷载占总荷载的百分比越大。此外,桩土应力比对某些桩型(例如碎石桩)也是复合地基的设计参数。一般情况下,桩土应力比与桩体材料、桩长、面积置换率有关。其他条件相同时,桩体材料刚度越大,桩土应力比越大;桩越长,桩土应力比越大;面积置换率越小,桩土应力比越大。,3.复合地基桩土荷载分担比(Load Share Ratio of Pile and Soil)复合地基桩土荷载分担比即桩与土分担荷载的比例。复合地基中桩土的荷载分担既可用桩土应力比表示,也可用桩土荷载分担比p、s 表示:式中 桩承担的荷载;桩间土承担的荷载;总荷载。,当平均面积置换率已知后,
7、桩土荷载分担比和桩土应力比可以相互表示。当测得了桩土荷载分担比后,可求得桩顶平均应力 桩间土平均应力为 桩土应力比为 上式为用桩土荷载分担比来表示桩土应力比的表达式。,4.复合模量(Composite Modulus)复合模量表征复合土体抵抗变形的能力,数值上等于某一应力水平时复合地基应力与复合地基相对变形之比。通常复合模量可用桩抵抗变形能力与桩间土抵抗变形能力的某种叠加来表示。计算式为 式中 桩体压缩模量;桩间土压缩模量;复合模量。,上式是在某些特定的理想条件下导出的,其条件为:(1)复合地基上的基础为绝对刚性;(2)桩端落在坚硬的土层上,即桩没有向下的刺入变形。上式的缺陷在于不能反映桩长的
8、作用和桩端阻效应。,实际工程中,桩的模量直接测定比较困难。通过假定桩土模量比等于桩土应力比,采用复合地基承载力的提高系数计算复合模量。承载力提高系数 由下式计算 也是模量提高系数,复合土层的复合模量为,6.4 竖向增强体复合地基承载力计算6.4 Bearing Capacity of Vertically Reinforced Composite Foundation,竖向增强体复合地基承载力计算的两种思路:(1)分别确定桩体的承载力和桩间土的承载力,根据一定的原则叠加两部分得到复合地基的承载力。(2)将桩体和桩间土组成的复合地基作为整体来考虑,确定复合地基的极限承载力。,Pcf=K1k1mP
9、pf+K2k2(1-m)Psf,Ppf桩体极限承载力,kPa;Psf天然地基极限承载力,kPa;K1 反映复合地基中桩体实际极限承载力的修正系数,与地基土质情况、成桩方法等因素有关,一般大于1.0;K2 反映复合地基中桩间土实际极限承载力的修正系数,与地基土质情况、成桩方法等因素有关,可能大于1.0,也可能小于1.0;,k1 复合地基破坏时,桩体发挥其极限强度的比例,也称为桩体极限强度发挥度;k2 复合地基破坏时,桩间土发挥其极限强度的比例,也称为桩间土极限强度发挥度;m复合地基面积置换率,mAp/Ae,其中Ap为单桩截面积,Ae为单根桩加固面积。,采用第二种思路计算复合地基极限承载力是将桩体
10、和桩间土组成的复合土体作为整体来考虑,常用稳定分析法计算。复合地基加固区土体强度指标可采用复合土体综合强度指标(由面积比计算)。,6.5 水平向增强体复合地基承载力计算6.5 Bearing Capacity of Horizontally Reinforced Composite Foundation,水平向增强体复合地基主要包括在地基中铺设各种加筋材料,如土工织物、土工格栅等形成的复合地基。其工作性状与加筋体长度、强度、加筋层数以及加筋体与土体间的黏聚力和摩擦系数等有关。水平向增强体复合地基的破坏可具有多种形式,影响因素也很多。到目前为止,许多问题尚未完全搞清楚,水平向增强体复合地基的计算
11、理论尚不成熟。,6.6 复合地基沉降计算方法6.6 Settlement Calculation of Composite Foundation,复合地基沉降为加固区压缩量与加固区下卧层土体压缩量之和。(1)加固区压缩量可采用复合模量法、应力修正法和桩身压缩量法计算。(2)下卧层压缩量通常采用分层总 和法计算。,加固区压缩量计算方法,(1)复合模量法 将复合地基加固区中增强体和基体两部分视为一复合土体,采用复合压缩模量来评价复合土体的压缩性。式中 第i层复合土层上附加应力增量;第i层复合土层的厚度。,(2)应力修正法 在该法中,根据桩间土承担的荷载 Ps和桩间土的压缩模量Es,忽略增强体 的存
12、在,采用分层总和法计算加固土层的压缩量s1,式中 应力修正系数,n,m复合地基桩土应力比,面积置换率;未加强地基在荷载P作用下第i层土 上的附加应力增量;复合地基中第i层土中的附加应力增量,相当于未加固地基在荷载P作用下第i层土上的附加应力增量;s1s 未加固地基在荷载P作用下与加固区相应厚度土层内的压缩量。,(3)桩身压缩量法 在荷载作用下,桩身压缩量sp为 式中 应力集中系数,;l 桩身长度,即加固区厚度h;Ep 桩身材料变形模量;Pb0 桩底端承力强度。,加固区下卧土层压缩量计算方法,(1)应力扩散法 这是工程上应用较多的方法,设复合地基上荷载为p,作用宽度为B,长度为D,加固区厚度为h
13、,压力扩散角为,则作用在下卧层上的荷载Pb为,(2)等效实体法 当桩距较小时,多采用此法。设复合地基上荷载为p,作用宽度为B,长度为D,加固区厚度为h,f为等效实体侧摩阻力密度,则作用在下卧层上的荷载为,(3)改进Geddes法 黄绍铭建议采用下述方法计算下卧土层的应力。复合地基总荷载为p,桩体承担pp,桩间土承担ps。桩间土承担的荷载在地基中产生的竖向应力的计算方法与天然地基中应力计算方法相同。桩体承担的荷载在地基中产生的竖向应力采用Geddes法计算,然后叠加两部分应力得到地基中总的竖向应力。,第7章 灰土挤密桩法和土挤密桩法Chapter 7 Lime Soil Column and E
14、arth Column,7.1 概述7.1 Introduction,灰土挤密桩法和土挤密桩法都是利用成孔过程中的横向挤压作用,桩孔内土被挤向周围,使桩间土挤密,然后将灰土或素土(黏性土)分层填入桩孔内,并分层夯填密实至设计标高。前者称为灰土挤密桩法,后者称为土挤密桩法。土挤密桩法是原苏联阿别列夫教授于1934年首创,20世纪50年代中期我国西北黄土地区开始进行土挤密桩法的研究和应用。,灰土挤密桩法和土挤密桩法适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土、杂填土等地基。可处理地基的深度为515m。但当地基土的含水量大于24、饱和度大于65时,不宜选用灰土挤密桩法或土挤密桩法。灰土挤密桩法和土挤密
15、桩法具有原位处理、深层挤密和以土治土的特点,在我国西北和华北地区广泛用于处理深厚湿陷性黄土、素填土和杂填土地基时,具有较好的经济效益和社会效益。,1.土的侧向挤密 2.土挤密桩挤密 3.灰土挤密桩挤密,7.2 加固原理7.2 Reinforcement Mechanism,采用灰土挤密桩或土挤密桩处理后形成的复合地基的承载力特征值,应通过现场单桩或多桩复合地基载荷试验确定。初步设计当无试验资料时,可按当地经验确定,但对灰土挤密桩复合地基的承载力特征值,不宜大于处理前的2.0倍,并不宜大于250kPa;对土挤密桩复合地基的承载力特征值,不宜大于处理前的1.4倍,并不宜大于180kPa。,7.3
16、设计计算7.3 Design Procedure,灰土挤密桩法和土挤密桩法一般采用等边三角形排列桩孔,其设计计算一般包括下述几方面:(1)桩孔直径 宜为300450mm,并可根据所选用的成孔设备或成孔方法确定。(2)桩孔间距 桩孔间距可为桩孔直径的2.02.5 倍,也可按下式估算:,式中 桩孔之间的中心距离(m);桩孔直径(m);桩间土的最大干密度(t/m3);地基处理前土的平均干密度(t/m3);桩间土经成孔挤密后的平均挤密系 数,对重要工程不宜小于0.93,对一 般工程不应小于0.90。,桩间土的挤密系数 应按下式计算:式中 在成孔挤密深度内,桩间土的平均干密度,平均试样数不应少于6组。(
17、3)布桩范围灰土挤密桩和土挤密桩处理地基的面积,应大于基础或建筑物底层平面的面积,以保证地基的稳定性。,(4)桩长设计 考虑到5m以内土层加固可采用较为简便的方法处理,而大于15m的土层加固受成孔设备条件限制,故处理深度一般为515m。(5)桩孔填料 土桩填料多选用与桩间土性质相近的就近挖运的黄土类土。灰土桩填料多采用消石灰与土的体积配合比2:8或3:7。桩体的夯实质量宜用平均压实系数 控制。当桩孔内用灰土或素土分层回填、分层夯实时,其值均不应小于0.96。,施工主要包括桩孔成孔和桩孔夯填。成孔方法有沉管法(锤击、振动)、冲击法和爆扩法等。成孔施工时地基土宜接近最优含水量,当含水量低于12时,
18、宜加水增湿至最优含水量。夯填施工前应进行夯填工艺试验,确定合理的分次填料量和夯击次数。,7.4 施 工7.4 Construction,挤密桩地基处理现场,成桩后,应及时抽样检验灰土挤密桩或土挤密桩处理地基的质量。主要检查施工记录、检测全部处理深度内桩体和桩间土的干密度,并将其换算为平均压实系数和平均挤密系数。抽样检验的数量,对一般工程不应少于桩总数的1,对重要工程不应少于桩总数的1.5。灰土挤密桩或土挤密桩地基竣工验收时,承载力检验应采用复合地基载荷试验。检验数量不应少于桩总数的0.5,且每项单体工程不应少于3点。,7.5 质量检验7.5 Quality Verification Test,
19、当复合地基载荷试验的压力沉降曲线上极限荷载能确定,而其值不小于对应比例界限的2倍时,可取比例界限作为复合地基承载力特征值;当其值小于对应比例界限的2倍时,可取极限荷载的一半。当按相对变形值确定复合地基承载力特征值时,对土挤密桩复合地基,可取s/b(或s/d)等于0.012所对应的压力;对灰土挤密桩复合地基,可取s/b(或s/d)等于0.008所对应的压力。,第8章 砂 桩Chapter 8 Sand Column,8.1 概 述8.1 Introduction,砂桩于19世纪30年代起源于欧洲。20世纪50年代后期,日本产生了振动式和冲击式的施工方法,处理深度可达30m。砂桩技术自20世纪50
20、年代引进我国后,在工业与民用建筑、交通、水利等工程建设中得到了广泛应用。,一、在松散砂土中的作用(1)挤密作用;(2)振密作用二、在软黏土中的作用(1)置换作用;(2)排水作用,8.2 加固原理8.2 Mechanism of Reinforcement,三、砂桩用途(1)在松散砂土中,可用于增大相对密度,防止振动液化。(2)在软黏土中,可用于提高地基承载力,加速固结沉降,改善地基的整体稳定性。,1 加固范围 应根据建筑物的重要性和场地条件及基础形式而定。对一般基础,在基础外应扩大13排;对可液化地基,在基础外缘扩大宽度不应小于可液化土层厚度的1/2,并不应小于5m;对高等级公路,一般应处理至
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